Technologie

Mechanische Verfahren
Dies ist das älteste der möglichen Verfahren und in punkto Genauigkeit und Schnelligkeit auch heute noch unübertroffen. Bei dieser Trackingmethode besteht immer eine feste mechanische Verbindung zwischen dem Akteur und dem verfolgten Objekt. Somit sind nur Bewegungen innerhalb eines bestimmten Raumes möglich sind.

Das Verfahren ist heute meistens so realisiert, dass ein Arm mit mehreren Gelenken verwendet wird, an dessen Ende sich der Datenhelm bzw. der Datenhandschuh befindet. Es besteht somit ein bestimmter Fixpunkt, zu dem die einzelnen Abstände fest vermessen werden können. „Die Erfassung der einzelnen Abstände zwischen den Gelenken erfolgt im Normalfall auf optischem Wege, da dies weniger Reibungsverluste als eine mechanische Abtastung verursacht und damit die Bewegungsfreiheit nicht noch weiter eingeschränkt wird“ (Schmidt, 1999).

Durch die verschiedenen Gelenke sind die Bewegungen in allen 6 Freiheitsgraden, innerhalb eines gewissen Aktionsraumes möglich. Diese 6 Freiheitsgrade ermöglichen die Erfassung aller im dreidimensionalen Raum vorkommenden Bewegungsdaten. Dabei sind die räumliche Position und sämtliche Bewegungen eindeutig durch folgende 6 Parameter definiert, die gleichzeitig auch die 6 Freiheitsgrade darstellen:

  • x/y/z-Koordinaten für die Translation entlang der x/y/z-Achse
  • Rotationswinkel um x/y/z-Achse für die Rotation um die x/y/z-Achse


Vorteile:

  • Sehr präzises, fehlerfreies und schnelles Verfahren
  • preisgünstig, da keine Elektronik erforderlich ist

Nachteile:

  • eingeschränkte Bewegungsfreiheit des Anwenders
  • geringer Aktionsraum

Einsatzgebiete:

  • Desktop-VR
  • Medizin
  • 3D Digitizing

 

Elektromagnetische Verfahren
Elektromagnetisches Tracking ist das heute am meisten verbreitete und flexibelste Verfahren. Bei diesem Verfahren werden in Sender und Empfänger jeweils drei Spulen verwendet. Diese senkrecht aufeinander stehenden, Strom durchflossenen Spulen erzeugen auf Senderseite 3 Magnetfelder, welche nacheinander an den Empfänger übermittelt werden und bei diesem Spannung in den Spulen induziert.

Der Empfänger misst somit für jede der 3 Spulen die entstehenden Magnetfelder bzw. Stromstärke, woraus sich neun verschiedene Messwerte ergeben, die die Koordinaten des Senders im dreidimensionalen Raum widerspiegeln und somit der Empfänger geortet werden kann.

Vorteile:

  • Empfänger sind sehr klein, überall zu befestigen und somit flexibel einsetzbar
  • relativ präzise Messungen möglich, da immer 3 * 3 Koordinaten bestimmt werden
  • berührungslos, daher große Bewegungsfreiheit

Nachteile:

  • Kalibrierung des Systems vor dem Start, zur korrekten Bestimmung des Anfangsabstandes zwischen Sender und Empfänger
  • störanfällig gegenüber starken Magnetfeldern
  • bei älteren Systemen wegen aufwendiger Messung lange Verzögerungszeiten (entstehen durch die zeitliche Synchronisierung der einzelnen Tracking Systeme, um Interferenzen zu verhindern)
  • genaue Systeme sind relativ teuer

Einsatzgebiete:

  • Elektromagnetische Tracker werden bei VR-Anwendungen überall dort eingesetzt, wo flexible und genaue Positionsbestimmungen benötigt werden.

 

Akustische Verfahren
Bei akustischen Sensoren erfolgt die Bestimmung von Position und Orientierung durch Ultraschall. Je nach System wird zwischen einem beweglichen Sender in Form eines Ultraschalllautsprechers und drei Mikrophonen als Empfänger eine Laufzeit- oder Phasendifferenzmessung durchgeführt. Der Ultraschalllautsprecher sendet einen Ton zur Bestimmung der Koordinaten des Senders und der Empfänger, bzw. jedes der 3 Mikrofone, erfasst nun den Ton vom Sender aus einem anderen Winkel und errechnet aus den verschiedenen Laufzeiten, bzw. aus den resultierenden Phasendifferenzen den jeweiligen Abstand zum Sender. Die Phasendifferenzmessung ist genauer, aber auch komplizierter und somit teurer.

Vorteile:

  • berührungsloses System, daher große Bewegungsfreiheit
  • Empfänger und Sender sind sehr klein und somit leicht zu befestigen
  • sehr preiswert zu realisieren

Nachteile:

  • aufgrund der relativ großen Wellenlänge des Ultraschalls, ist die Genauigkeit des Verfahrens eingeschränkt
  • störanfällig gegenüber akustischen Signalen aller Art
  • Sender muss direkt auf die Empfänger ausgerichtet sein
  • kleiner Aktionsradius aufgrund der geringen Reichweite

Einsatzgebiete:

  • vor allem bei billigen Versionen von VR-Umgebungen
  • Unterhaltungsindustrie und Cave

 

Optische Verfahren
Man unterscheidet bei den optischen Verfahren zwischen aktiven und passiven optischen Verfahren. Alle Verfahren arbeiten grundsätzlich mit dem Prinzip, Lichtquellen am zu beobachtenden Objekt anzubringen und diese dann mit Hilfe von Videokameras zu verfolgen und deren Position zu bestimmen.

Aktive optische Verfahren arbeiten nicht wie die passiven optischen Verfahren mit reflektierenden Markierungen sondern mit Infrarot-Dioden und sind somit wegen des hohen technischen Aufwandes nur für wenige Anwendungen geeignet. Sie werden vor allem eingesetzt, wenn das zu verfolgende Objekt einen großen Aktionsradius haben muss. Passive Systeme dagegen sind eine sehr preisgünstige Methode, um ein Objekt kabel- und berührungslos im Raum zu verfolgen.

Vorteile:

  • drahtlos, dadurch großer Aktionsradius
  • sind mehrere Kameras vorhanden, können beliebige Objekte verfolgt werden, woraus sich verschiedene Einsatzmöglichkeiten ergeben

Nachteile:

  • großer Rechenaufwand für die Positionsbestimmung, und daraus resultierend eine hohe Verzögerungszeit
  • zwischen Sender und Empfänger muss freie Sicht herrschen

Einsatzgebiete:

  • Zur Dedektion von komplexen Objekten (ganzer menschlicher Körper) geeignet.
  • 3D-Anwendungen (Charakteranimation)

 

Kinematische Verfahren
Dieses Verfahren basiert auf der Messung von Rotationsbewegungen. Das gängigste Verfahren arbeitet mit einem keinen Kreisel, der von einem Elektromotor auf eine hohe Rotationsgeschwindigkeit gebracht wird. Optische Sensoren erfassen Änderungen im Drehverhalten des Kreisels, die bereits durch kleine Bewegungen entstehen. Somit lässt sich die Orientierung des Objektes relativ zum Kreisel bestimmen.

Vorteile:

  • schnell und genau, da sehr empfindlich
  • kompakte Bauweise, da das System sehr klein sein kann
  • unempfindlich gegen äußere Einflüsse
  • benötigt keinen Empfänger

Nachteile:

  • zur Bestimmung von beliebigen Bewegungen nicht einsetzbar, da sie nur Rotationsbewegungen messen
  • relativ teuer

Einsatzgebiete:

  • in schwer zugänglichen Gebieten oder bei großer räumlicher Ausdehnung
  • es können Bewegungen gemessen werden, ohne dass ein Empfängersystem eingerichtet werden muss
  • bei ferngesteuerten Robotern

 

GPS Verfahren
Dieses Verfahren benutzt das global auf der Erde verfügbare Satellitennavigationssystem GPS, um die Position eines beliebigen Objektes zu bestimmen. Das Objekt selbst muss mit einem GPS Empfänger ausgestattet werden. Das GPS-System bietet dabei eine Positionierungsgenauigkeit von ca. 2m. Diese Genauigkeit lässt sich über terrestrische Sender noch erhöhen.

Vorteile:

  • global einsetzbar
  • GPS Empfänger sind relativ billig
  • beliebiger Aktionsradius

Nachteile:

  • nur translatorische Bewegungen sind erfassbar (3 Freiheitsgrade), d. h. Kreisbewegungen sind nicht feststellbar
  • Vertikale Bewegungen sind nur ungenau bestimmbar
  • je nach Ausbau und System nur geringe räumliche Auflösung/Genauigkeit

Einsatzgebiete:

  • zur „groben“ Standortbestimmungen bei AR-Anwendungen